(57)【要約】【課題】  本発明は、高精度の安定した金属間接合部を生成させる直進往復高速応答性のピエゾステージを備えたボンディング装置、およびそれを用いた金属間接合構造を提供する。【解決手段】  半導体装置やＬＥＤなどの電子部品、リチュームイオン電池、および、ＰＶ太陽電池の電極端子を接合相手電極端子に常温で接合する金属間接合構造１は、直進往復運動するように圧電素子６ｃ、６ｃを直進往復運動体６ａの左右に一対備えて、直進往復運動する直進往復高速応答性のピエゾステージ６を用いて、この直進往復高速応答性のピエゾステージが生成する振幅と共にこの電極端子２ａを直進往復運動させるように、直進往復高速応答性のピエゾステージに電極端子を固定して、電極端子と接合相手電極端子３ａとの接合間に金属間接合部１ａを生成させる。また、電子部品２、および接合相手装置３の少なくとも一方はシリコンゴム４を介して基板９に固定される。【選択図】図１
2013102025.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
半導体装置やＬＥＤなどの電子部品、リチュームイオン電池、および、ＰＶ太陽電池のいずれかの電極端子を、接合相手装置の接合相手電極端子に常温で接合する直進往復高速応答性のピエゾステージを備えたボンディング装置であって、
直進往復運動する直進往復運動体と、
この直進往復運動体が直進往復運動するように前記直進往復運動体の左右に圧電素子を一対備えていることを特徴とする直進往復高速応答性のピエゾステージを備えたボンディング装置。
【請求項２】
前記直進往復高速応答性のピエゾステージは、
直進往復運動する前記直進往復運動体と、
前記直進往復運動体の前記直進往復方向の左右に一対に設けられた前記直進往復方向へ伸縮する前記圧電素子と、
前記直進往復運動体の周囲に形成され、前記直進往復運動体とは同一ブロックで継目なく一体に形成され、前記直進往復運動体を把持する枠体と、
を備え、
前記枠体と前記直進往復運動体とは前記直進往復方向に弾性力を保持して形成されていることを特徴とする請求項１に記載の直進往復高速応答性のピエゾステージを備えたボンディング装置。
【請求項３】
半導体装置やＬＥＤなどの電子部品、リチュームイオン電池、および、ＰＶ太陽電池のいずれかの電極端子を接合相手装置の接合相手電極端子に常温で接合する金属間接合構造であって、
前記電極端子は、前記接合相手電極端子と接合する一対の接合面同士が押圧されて直進往復運動することで、同じ経路で繰り返し研磨されて、互いに清浄化・活性化して密着状態を維持して無界面の接合面を生成することを特徴とする金属間接合構造。
【請求項４】
前記半導体装置やＬＥＤなどの電子部品、リチュームイオン電池、およびＰＶ太陽電池、並びに前記接合相手装置の少なくとも一方はシリコンゴムを介して基板に固定されていることを特徴とする請求項３に記載の金属間接合構造。
【請求項５】
前記直進往復高速応答性のピエゾステージを直進往復運動させる圧電素子に印加する周波数は５Ｈｚ〜５ＫＨｚであることを特徴とする請求項３に記載の金属間接合構造。
【請求項６】
前記直進往復運動は、始動時からピーク時に向かって前記周波数は一定で、振幅が徐々に増加し、前記ピーク時から停止時に向かって前記周波数は一定で、前記振幅が徐々に減衰して行くことを特徴とする請求項３に記載の金属間接合構造。
【請求項７】
前記電極端子および前記接合相手電極端子の少なくとも一方は、尖端フラット形状を有する縦横比１．５〜３倍の細長い形状を有するピラー型であることを特徴とする請求項３に記載の金属間接合構造。
【請求項８】
前記電極端子および前記接合相手電極端子の少なくとも一方は、前記接合相手電極端子と接合する接合面が、Ｃｕ、Ａｌ、Ｎｉ、Ａｕおよび半田のいずれかで形成されていることを特徴とする請求項３に記載の金属間接合構造。
【請求項９】
前記接合面は、放熱回路を形成することを特徴とする請求項３に記載の金属間接合構造。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、半導体装置やＬＥＤなどの電子部品、リチュームイオン電池、および、ＰＶ太陽電池の電極端子を、接合相手装置の接合相手電極端子に常温で接合する金属間接合構造に関する。
【背景技術】
【０００２】
以下、従来の技術について説明する。
図７は、半導体チップの外部接続用電極端子の構成を示す断面図である。
図７に示すように、この外部接続用電極端子は、半導体チップの電極パッド上にワイヤボンディング可能なＡｕ、Ａｌ乃至Ｃｕを主成分とした金属を用いて、電極付半導体チップの電極パッド上にワイヤピラーを形成し、このワイヤピラーをめっき金属で被覆して補強し、配線回路基板へ半田付けにより非晶接合や熱圧着によって直接ボンディングしたものである。
【０００３】
詳細には、ホトリソグラフィ技術を用いて、ＳｉＯ2１０２の膜を有するシリコン１０１の基体の上に、アルミ１０３の電極および、所望の位置にＳｉＯ2等の保護膜１０４を形成した裸の半導体チップを用意する。アルミ１０３の電極パッドに直径３０ミクロンのＡｕ線をボンディング装置でボンディングし、１７０ミクロンの長さのワイヤピラー１０８を形成した。しかるのちに、ワイヤピラー１０８のまわりに、シプレイ社の無電解Ｎｉめっき液ニポジット４６８を用いて、作業温度６８℃で、２時間めっきを行なって、Ａｕ線に１８ミクロンの厚さの金属ニッケルを補強材１０９として被覆した。こうして得られた半導体チップの外部接続用の電極端子は、Ａｕ線だけの場合にくらべると、硬いニッケルめっきによって、十分に補強されているため、きわめて堅牢で、取扱いに便利なものである。そして、ピラー電極とＡｌ電極パッドとの接触状態を目視とテスタで試験したところ、接触不良は皆無であった。また、配線回路基板にあらかじめ塗布したクリーム半田上にこのチップを装着して、この基板を加熱し、クリーム半田を溶融して半田付けを行なう、いわゆるリフロー方式でチップを容易に直付けすることができる。Ｎｉめっきの代りに、Ａｇペイントを用いて、Ａｕのワイヤピラーを被覆することも考えられるが、この場合、ワイヤピラーの補強はめっきに比べるとやや劣ること、さらには、半田付けに際して、半田によるＡｇ喰われが生じるおそれがあることなどの不具合がある。ワイヤピラーへのめっきについては、Ｎｉめっきの代りに、Ａｕ、Ｃｕ、Ｓｎ、半田等のめっきに適する金属で、且つ、ボンディングに適する金属であればいずれも本発明の主旨にかなっており、場合によってはこれらのめっきをいくつか組み合せることも効果的である（特許文献１参照）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特公平７−９３３１０号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかしながら、このピラーは直径３０μｍ、高さ１７０μｍであり、縦横比が５．７倍の細長いピラーを形成しているが、半田付けを前提にしたものであり、接合部は、必ずしも、フラットである必要はなく、めっきをＡｕ線の周囲に被覆したもので、フラットであるとは記載されていない。Ａｕ線の高さも特に５．７倍の細長さの必要はなく、またそのように記載されていない。細長さは、高さ調節を容易にして高さを揃えること、そして、十分に補強されて、非常に丈夫にできていることが目的である。ところが、不揃いの高さを補正するためには縦横比を適度な細長にして柔軟性を持つことが必要であった。
本発明は、前記課題を解決するために創案されたものであり、熱履歴を伴う半田付け接合を用いないで、常温での接合を行うために、接合部に高速応答性の直進往復運動を与えることによって、高精度の安定した金属間接合部を生成させること、および、プリント基板など接合相手装置の反りによって、接合面が不揃いである場合にも、全ての電極端子が問題なく高品質で接合できるピラー型の電極端子を用いて、直進往復高速応答性のピエゾステージを備えたボンディング装置、およびそれを用いた金属間接合構造を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
請求項１に記載の発明の直進往復高速応答性のピエゾステージを備えたボンディング装置は、半導体装置やＬＥＤなどの電子部品、リチュームイオン電池、および、ＰＶ太陽電池のいずれかの電極端子を、接合相手装置の接合相手電極端子に常温で接合する直進往復高速応答性のピエゾステージを備えたボンディング装置であって、直進往復運動する直進往復運動体と、この直進往復運動体が直進往復運動するように前記直進往復運動体の左右に圧電素子を一対備えていることを特徴とする。
【０００７】
請求項２に記載の発明は、請求項１に記載の直進往復高速応答性のピエゾステージを備えたボンディング装置であって、前記直進往復高速応答性のピエゾステージは、直進往復運動する前記直進往復運動体と、前記直進往復運動体の前記直進往復方向の左右に一対に設けられた前記直進往復方向へ伸縮する前記圧電素子と、前記直進往復運動体の周囲に形成され、前記直進往復運動体とは同一ブロックで継目なく一体に形成され、前記直進往復運動体を把持する枠体とを備え、前記枠体と前記直進往復運動体とは前記直進往復方向に弾性力を保持して形成されていることを特徴とする。
【０００８】
請求項３に記載の発明の金属間接合構造は、半導体装置やＬＥＤなどの電子部品、リチュームイオン電池、および、ＰＶ太陽電池の電極端子を接合相手装置の接合相手電極端子に常温で接合する金属間接合構造であって、前記電極端子は、前記接合相手電極端子と接合する一対の接合面同士が押圧されて直進往復運動することで、同じ経路で繰り返し研磨されて、互いに清浄化・活性化して密着状態を維持して無界面の接合面を生成することを特徴とする。
【０００９】
請求項４に記載の発明は、請求項３に記載の金属間接合構造であって、前記半導体装置やＬＥＤなどの電子部品、リチュームイオン電池、およびＰＶ太陽電池、並びに前記接合相手装置の少なくとも一方はシリコンゴムを介して基板に固定されていることを特徴とする。
【００１０】
請求項５に記載の発明は、請求項３に記載の金属間接合構造であって、前記直進往復高速応答性のピエゾステージを直進往復運動させる圧電素子に印加する周波数は５Ｈｚ〜５ＫＨｚであることを特徴とする。
【００１１】
請求項６に記載の発明は、請求項３に記載の金属間接合構造であって、前記直進往復運動は、始動時からピーク時に向かって前記周波数は一定で、振幅が徐々に増加し、前記ピーク時から停止時に向かって前記周波数は一定で、前記振幅が徐々に減衰して行くことを特徴とする。
【００１２】
請求項７に記載の発明は、請求項３に記載の金属間接合構造であって、前記電極端子および前記接合相手電極端子の少なくとも一方は、尖端フラット形状を有する縦横比１．５〜３倍の細長い形状を有するピラー型であることを特徴とする。
【００１３】
請求項８に記載の発明は、請求項３に記載の金属間接合構造であって、前記電極端子および前記接合相手電極端子の少なくとも一方は、前記接合相手電極端子と接合する接合面が、Ｃｕ、Ａｌ、Ｎｉ、Ａｕおよび半田のいずれかで形成されていることを特徴とする。
【００１４】
請求項９に記載の発明は、請求項３に記載の金属間接合構造であって、前記接合面は、放熱回路を形成することを特徴とする。
【発明の効果】
【００１５】
請求項１に記載の発明によれば、直進往復高速応答性のピエゾステージを備えたボンディング装置は、半導体装置やＬＥＤなどの電子部品、リチュームイオン電池、および、ＰＶ太陽電池の電極端子を、接合相手装置の接合相手電極端子に常温で接合する直進往復高速応答性のピエゾステージを備えたボンディング装置であって、直進往復運動する直進往復運動体と、この直進往復運動体が直進往復運動するように前記直進往復運動体の左右に圧電素子を一対備えていることによって、直進往復運動体と枠体との間に圧電素子が、直進往復運動体の左右に設けられており、直進往復伸縮するため、機械的共振点を持たず、出力を上げても共振点を持たないため安定的な直進往復運動ができ、高精度な直進往復高速応答性を可能とする。これによって、高精度の安定した金属間接合部を生成させることができる。
【００１６】
請求項２に記載の発明によれば、直進往復高速応答性のピエゾステージは、直進往復運動体と、直進往復方向の左右に一対に設けられた直進往復方向へ伸縮する圧電素子と、直進往復運動体の周囲に形成され、直進往復運動体とは同一ブロックで継目なく一体に形成され、直進往復運動体を把持する枠体とを備え、枠体と直進往復運動体とは直進往復方向に弾性力を保持して形成されることによって、直進往復運動体にバネを取り付けて付勢するのではなく、直進往復運動体とそれを把持する枠体が継目のない金属ブロックで一体に形成されているので、直進往復運動体は枠体に把持されると共に、枠体と直進往復運動体との間に弾性力を保持しており、さらに枠体と直進往復運動体を継目のなく一体とすることによって、直進往復運動体がヨーイングやピッチングすることなく、強い安定性がある。さらにこの直進往復運動体と枠体との間に圧電素子が、直進往復運動体の左右に設けられており、弾性力を有する方向に、直進往復運動体が直進往復伸縮するため、機械的共振点を持たず、出力を上げても共振点を持たないため安定的な直進往復運動ができ、高精度な直進往復高速応答性を可能とする。これによって、高精度の安定した金属間接合部を生成させることができる。
【００１７】
請求項３に記載の発明によれば、電極端子は、接合相手電極端子と接合する一対の接合面同士が押圧されて直進往復運動することで、同じ経路で繰り返し研磨されて、互いに清浄化・活性化して密着状態を維持して無界面の接合面を生成することによって、半導体装置やＬＥＤなどの電子部品、リチュームイオン電池、および、ＰＶ太陽電池の全ての電極端子が問題なく高品質で接合できるピラー型の電極端子を用いて、接合相手装置の接合相手電極端子に常温で金属間接合することができ、さらに同一経路を繰り返し研磨することによって、電極端子の研磨面が接合相手電極端子と密着状態を維持して研磨しているため、接合面積が増え、応力集中を拡散した接合ができ、接合面からは破断しない強固な接合を得ることができた。その金属本来の強度を実現することができた。
【００１８】
請求項４に記載の発明によれば、半導体装置やＬＥＤなどの電子部品、リチュームイオン電池、およびＰＶ太陽電池、並びに接合相手装置の少なくとも一方はシリコンゴムを介して基板に固定されることによって、電子部品、およびプリント基板など接合相手のどちらか一方、またはどちらもがシリコンゴムを介して基板に固定されて外れることもないため、接合部に高速応答性の直進往復運動を伝達することができ、高精度の安定した金属間接合部を生成させ、また、プリント基板など接合相手の反りによって、接合面が不揃いである場合にも、シリコンゴムの弾性が反りや変形を吸収して全ての電極端子を問題なく高品質で接合できる。
【００１９】
請求項５に記載の発明によれば、直進往復高速応答性のピエゾステージを直進往復運動させる圧電素子に印加する周波数は５Ｈｚ〜５ＫＨｚとすることによって、ピエゾステージは滑からな直進往復運動することができ、接合部に高速応答性の直進往復運動を与えることができ、高精度の安定した金属間接合部を生成させることができる。
【００２０】
請求項６に記載の発明によれば、始動時からピーク時に向かって周波数は一定で、振幅が徐々に増加し、ピーク時から停止時に向かって周波数は一定で、振幅が徐々に減衰して行くことによって、起動時のドライバ容量を節約できる。
【００２１】
請求項７に記載の発明によれば、電極端子および接合相手電極端子の少なくとも一方は、尖端フラット形状を有する縦横比１．５〜３倍の細長い形状を有するピラー型とすることによって、プリント基板など接合相手が反って、接合面が不揃いである場合にも、高さの高いピラー型電極端子が先に変形することによって、低いピラー型電極端子も電極端子に当接できて、互いに高さを補い合い、全ての電極端子が問題なく高品質で接合できるピラー型の電極端子に直進往復運動を行わせて、高精度の安定した金属間接合部を生成させることができる。
【００２２】
請求項８に記載の発明によれば、接合面が、Ｃｕ、Ａｌ、Ｎｉ、Ａｕおよび半田のいずれかで形成されていることによって、ピラー型電極端子がＣｕ、Ａｌ、Ｎｉ、Ａｕおよび半田のいずれにおいても、接合面がフラットである限り、金属間接合部が生成され、良好な接合ができる。
【００２３】
請求項９に記載の発明によれば、ＬＥＤ電子回路の両端に＋−電極を各一対有し、その間に、やはり金属間接合部を有する放熱回路部１１を備えているため、ＬＥＤ電子回路では発熱を如何に制御できるかが課題であるが、これによって、効率的に放熱が行われる。
【発明を実施するための形態】
【００２４】
以下、本発明の実施形態を図面を参照しながら詳細に説明する。
図１は、本発明の実施形態に係る直進往復高速応答性のピエゾステージを用いた金属間接合構造の概略図であり、（ａ）は電子部品のフリップチップと、プリント基板などの接合相手との接合前を示す断面図、（ｂ）（ｃ）（ｄ）は（ａ）に示すＰ部の拡大断面図を基にして金属間接合構造を示す工程断面図、（ｅ）は放熱回路を形成した様子を示している。
図１の（ａ）に示すように、金属間接合構造１は、半導体装置やＬＥＤなどの電子部品２、リチュームイオン電池、および、ＰＶ太陽電池２、図１ではフリップチップ２の電極端子２ａを接合相手電極端子３ａに常温で接合する様子を示している。金属間接合構造１は、直進往復運動するように積層型の圧電素子６ｃ、６ｃ（図３参照）を直進往復運動体６ａ（図３参照）の左右に一対備えて、直進往復運動する直進往復高速応答性のピエゾステージ６を用いて、この直進往復高速応答性のピエゾステージ６が生成する振幅と共にこの電極端子２ａを直進往復運動させるように、直進往復高速応答性のピエゾステージ６に電極端子２ａを固定して、電極端子２ａと電極端子３ａとの接合間に金属間接合部１ａを生成させている。
また、電子部品２、およびプリント基板など接合相手装置３の少なくとも一方はシリコンゴム４を介して基板としてのチャックトップ５に固定されている。
【００２５】
図１の（ｂ）（ｃ）（ｄ）に示すように、（ｂ）は直進往復運動前の様子、（ｃ）は直進往復運動中の様子、（ｄ）は金属間接合が完了した様子を示している。ピラー型の電極端子２ａと電極端子３ａともＣｕ材で形成されているが、電極端子２ａは、電極端子３ａと接合する接合面が、Ｎｉ材およびＣｕ材の少なくとも一方で形成されていれば良い。この場合、接合部８はＮｉであるが、ＮｉはＣｕを覆っているものである。直進往復運動によって、Ｎｉが擦れてＣｕが露出して、Ｃｕ―Ｃｕとなった接合部８が直進往復運動によって金属間接合部１ａを形成する。
また、金属間接合構造において、電極端子および接合相手電極端子の少なくとも一方は、接合相手電極端子と接合する接合面が互いにフラット形状であり、Ｃｕ、Ａｌ、Ｎｉ、Ａｕおよび半田のいずれかで形成されている。
また、図１の（ｅ）に示すように、ＬＥＤ電子回路の両端に電極を各一対有し、その間にやはり金属間接合部を有する放熱回路部１１を備えている。ＬＥＤ電子回路では発熱を如何に制御できるかが課題であるが、これによって、効率的に放熱が行われる。
【００２６】
すなわち、１）ピラー型電極端子２ａがＮｉ材で電極端子３ａがＣｕ材の場合、２）ピラー型電極端子２ａがＣｕ材で電極端子３ａがＮｉ材の場合、３）ピラー型電極端子２ａがＣｕ材で電極端子３ａがＣｕ材の場合、および４）ピラー型電極端子２ａがＮｉ材で電極端子３ａがＮｉ材の場合、のいずれにおいても、接合部８がフラットである限り、金属間接合部１ａが生成され、良好な接合ができる。
また、電極端子および接合相手電極端子の少なくとも一方は、接合相手電極端子と接合する接合面が、Ｃｕ、Ａｌ、Ｎｉ、Ａｕおよび半田のいずれかで形成されていることによって、ピラー型電極端子がＣｕ、Ａｌ、Ｎｉ、Ａｕおよび半田のいずれにおいても、接合面がフラットである限り、金属間接合部が生成され、良好な接合ができる。
【００２７】
図２は、本発明の実施形態に係る直進往復高速応答性のピエゾステージを用いたボンディング装置の基本構造を示す部分詳細図であり、（ａ）は接合前の様子、（ｂ）は直進往復運動中であり、端子は接合中〜金属間接合完了を示している。
図２の（ａ）（ｂ）に示すように、接合部８は、Ｎ２パージ枠７で囲まれ、金属間接合の生成時にはＮ２パージするようにしている。Ｎ２パージは無くても構わない。
直進往復高速応答性のピエゾステージ６を直進往復運動させる周波数は５Ｈｚ〜５ＫＨｚとした。
また、電極端子２ａは、尖端フラット形状を有する縦横比１．５〜３倍の細長い形状を有するピラー型である。このピラー型の電極端子２ａは、直径Ｄと高さＨとの関係を、Ｄ×２＝Ｈとしている。このピラー型の電極端子の縦横のアスペクト比は３：１程度迄としているが、これに限るものではない。将来、材質によっては、もっと大きくなることも考えられる。
【００２８】
このように、直進往復高速応答性のピエゾステージ６は直進往復運動体６ａの左右に圧電素子６ｃを一対備えているため、直進往復動作共に圧電素子６ｃの高速動作が直進往復運動体６ａに伝達され、高速応答性を得ることができる。つまり、一方を圧電素子６ｃ、他方をバネ構造６ｄによって直進往復動作する従来の方式に比べ、バネの機械的共振が発生せず、また、共振域を避けて調整する必要もないため、直進往復高速応答性のピエゾステージ６が持つ高精度の高速応答性によって、高品質の金属間接合構造が実現する。これによって、熱履歴を伴う半田付け接合を用いない常温での接合を行うために、接合部８に高速応答性の直進往復運動を与えることで、高精度の安定した金属間接合部１ａを生成させること、および、プリント基板など接合相手装置３の反りによって、接合部８が不揃いである場合にも、全ての電極端子３ａが問題なく高品質で接合できる直進往復高速応答性のピエゾステージ６を備えたボンディング装置、およびそれを用いた金属間接合構造を提供できる。
この直進往復運動動作は、半導体装置やＬＥＤなどの電子部品、リチュームイオン電池、および、ＰＶ太陽電池の電極端子を常温で実装する場合に、電極端子は、接合相手電極端子と接合する一対の接合面同士が押圧されて直進往復運動することで、同じ経路で繰り返し研磨されて、互いに清浄化・活性化して密着状態を維持して界面が消失した、無界面状態の接合面を生成することができ、いわゆる、接合箇所の応力集中を低減させた、強力な接合を実現できた。この押圧する力は、電極端子の自重程度で構わない。それ以上でも以下でも適宜設定可能である。
【００２９】
また、電子部品２、およびプリント基板など接合相手装置３のどちらか一方、またはどちらもがシリコンゴム４を介して基板９ａ、９ｂ（ピエゾステージ６側はチャックトップ５）に固定されて、ずれたり、外れたりすることもないため、接合部８に高速応答性の直進往復運動を伝達することができ、高精度の安定した金属間接合部１ａを生成させ、また、プリント基板など接合相手装置３の反りによって、接合部８が不揃いである場合にも、シリコンゴム４の弾性が反りや変形を吸収して全ての電極端子３ａを問題なく高品質で接合できる。
シリコンゴムの厚さはピラー型電極端子、やプリント基板など接合相手装置の反りによる傾きを吸収できる程度に決める。
さらに、適度な周波数によって、接合部に高速応答性の直進往復運動を与えることができ、高精度の安定した金属間接合部を生成させることができる。
また、プリント基板など接合相手装置３などの反りによって、接合部８が不揃いである場合にも、高さの高いピラー型電極端子２ａがそのアスペクト比によって変形して、低いピラー型電極端子２ａも電極端子３ａに当接できて、高精度の安定した金属間接合部１ａを生成させることができる。
【００３０】
図３は、本発明の実施形態に係る直進往復高速応答性のピエゾステージ構造の模式図であり、（ａ）は正面図、（ｂ）（ｃ）（ｄ）（ｅ）（ｆ）（ｇ）（ｈ）は（ａ）に示すＡ―Ａ線の端面図であり、（ｂ）（ｃ）（ｄ）は従来のピエゾステージの構造を示す平面図であり、圧電素子の押し出し力によって移動する直進往復運動体の動きを説明する工程図である。そして、（ｅ）（ｆ）（ｇ）（ｈ）は本願発明のピエゾステージの構造を示す平面図であり、圧電素子の押し出し力によって移動する直進往復運動体の動きを説明する工程図である。
図４は、本発明の実施形態に係る直進往復高速応答性のピエゾステージに備えられる圧電素子に印加する一定周波数の波形であり、（ａ）は一方の圧電素子に印加する周波数、（ｂ）は他方の圧電素子に印加する周波数を示す波形であり、初期設定電圧Ｂを設定して、その位置を中心に振幅Ｆを設定する方式を備え、Ｗ１とＷ２は同一信号の位相を半周期ズラした波形である。ピエゾステージの外形は、□５０ｍｍ〜１００ｍｍである。（ｃ）は一方の圧電素子に印加する三角波の周波数を示す波形、（ｄ）は他方の圧電素子に印加する三角波の周波数を示す波形である。また、（ｅ）は一方の圧電素子に印加するＳｉｎ波の一定周波数における振幅の増加域、および振幅減衰域を説明する波形、（ｆ）は他方の圧電素子に印加するＳｉｎ波の一定周波数における振幅の増加域、および振幅減衰域を説明する波形である。
【００３１】
図３の（ａ）に示すように、直進往復高速応答性のピエゾステージ６を備えたボンディング装置１０は、半導体装置やＬＥＤなどの電子部品２、リチュームイオン電池、および、ＰＶ太陽電池２の電極端子２ａを接合相手電極端子３ａへの常温での接合に用い、直進往復運動するように圧電素子６ｃを直進往復運動体６ａの左右に一対備えて、直進往復運動する。
直進往復高速応答性のピエゾステージ６は、直進往復運動する直進往復運動体６ａと、直進往復運動体６ａの直進往復方向の左右に一対に設けられた直進往復方向へ伸縮する圧電素子６ｃと、直進往復運動体６ａの周囲に形成され、直進往復運動体６ａとは同一ブロックで継目なく一体に形成され、直進往復運動体６ａを把持する枠体６ｂとを備え、枠体６ｂと直進往復運動体６ａとは直進往復方向に弾性力を保持して形成されている。この弾性力は模式図ではバネ構造６ｄとして表示しているが、別体のバネが取り付けられているものではなく、枠体６ｂと直進往復運動体６ａとはバネ構造６ｄを介した一つのブロックから形成され、その一体構造の中で弾性力を生成しているものである。
【００３２】
図３の（ｂ）に示すように、直進往復運動体６ａはバネ構造６ｄで付勢され、電圧が印加されていない圧電素子６ｃと当接している。（ｃ）に示すように、直進往復運動体６ａは圧電素子６ｃで図中左側へ押圧されている。さらに、（ｄ）に示すように、直進往復運動体６ａは、圧電素子６ｃの印加が解かれて図中右側にバネ構造６ｄによって押圧されている。この繰り返しでピエゾステージ６´には往復運動が生成される。このバネ構造には大きな欠陥がある。つまり、強力な押し出し力を有する圧電素子と同程度の反力をもったバネ構造を必要としていた。強力な押し出し力を有する圧電素子と同程度の反力をもったバネ構造によって、常に圧電素子を押し付けていることは、エネルギ的に大きな負担であった。また、圧電素子を駆動するドライバにも大きな容量のものを備えなければならなかった。これは従来のピエゾステージを説明したものであり、次に、（ｅ）〜（ｈ）に示すように、本願発明のピエゾステージ６について説明する。
【００３３】
図３の（ｅ）に示すように、圧電素子６ｃが周波数を印加されていない状態では、直進往復運動体６ａがバネ構造６ｄに支持されて、ピエゾステージ６のセンターのニュートラル状態に位置している。バネ構造６ｄが保持するバネ力は、直進往復運動体６ａを位置的に支える程度で構わない。
次に、（ｆ）および図４の（ａ）（ｂ）（ｃ）（ｄ）に示すように、直進往復運動体６ａは、左右の圧電素子６ｃ、６ｃによって、軽く押圧された状態にある。所謂、初期設定電圧Ｂが印加されている。
次に、（ｇ）および図４の（ａ）（ｂ）（ｃ）（ｄ）に示すように、Ｗ１のようなＳｉｎ波形によって、図中右側の圧電素子６ｃが押し出し、それと同時にＷ２のような逆位相のＳｉｎ波形によって、左側の圧電素子６ｃが縮小している。またはＷ１´のような三角波形によって、図中右側の圧電素子６ｃが押し出し、それと同時にＷ２´のような逆位相の三角波形によって、左側の圧電素子６ｃが縮小している。直進往復運動体６ａは左側に振れることになる。
【００３４】
さらに、（ｈ）および図４の（ａ）（ｂ）に示すように、Ｗ１のようなＳｉｎ波形によって、図中右側の圧電素子６ｃが縮小し、それと同時にＷ２のような逆位相のＳｉｎ波形によって左側の圧電素子６ｃが押し出している。またはＷ１´のような三角波形によって、図中右側の圧電素子６ｃが縮小し、それと同時にＷ２´のような逆位相の三角波形によって左側の圧電素子６ｃが押し出している。直進往復運動体６ａは右側に振れることになる。
このように、Ｓｉｎ波形および逆位相のＳｉｎ波形によって、直進往復運動体６ａは振幅Ｆで振れて直進往復運動する。Ｓｉｎ波形および逆位相のＳｉｎ波形は、一つの信号から派生したものである。または三角波形および逆位相の三角波形によって、直進往復運動体６ａは振幅Ｆで振れて直進往復運動する。Ｓｉｎ波形、三角波形および逆位相のＳｉｎ波形、三角波形は、一つの信号から派生したものである。この圧電素子６ｃは積層型圧電素子を用いているが、これに限るものではない。そして、直進往復運動体６ａを停止させる周波数の位置は、図中の停止位置ｄ、ｄ´と停止位置ｆ、ｆ´である。つまり、Ｓｉｎ波形Ｗ１では開始位置ｃから繰り返し動作して、最終的に停止位置ｄで直進往復運動体６ａを停止させている。同様に、Ｓｉｎ波形Ｗ２では開始位置ｅから繰り返し動作して、最終的に停止位置ｆで直進往復運動体６ａを停止させている。
または、三角波形Ｗ１´では開始位置ｃ´から繰り返し動作して、最終的に停止位置ｄ´で直進往復運動体６ａを停止させている。同様に、三角波形Ｗ２´では開始位置ｅ´から繰り返し動作して、最終的に停止位置ｆ´で直進往復運動体６ａを停止させている。
【００３５】
このように同一信号から発生した正波形Ｗ１、Ｗ１´と逆波形Ｗ２、Ｗ２´とを用いて、直進往復運動体６ａの左右に配置した圧電素子６ｃにそれぞれ印加することによって、直進往復運動体６ａを左右から交互に押し出す。これによって、直進往復動作が共に圧電素子の押し出し力で駆動するため、左右一対の圧電素子６ｃが高速応答性を発揮して、直進往復運動体６ａを直進往復運動させることができる。つまり従来のように一方を圧電素子６ｃで押し出し、戻りをバネ構造６ｄで押し戻す方式に比べ、バネの機械的共振もなく、電圧印加に正確に比例して直進往復運動体６ａの直進往復運動を起こし、精度良い直進往復運動を得られる。移動距離は不図示のレーザー変位計などで振幅を調整可能としている。
このように、図中左右のように直進往復運動するように圧電素子６ｃを直進往復運動体６ａの左右に一対備えて、直進往復運動することによって、常温でも、接合部８に直進往復高速応答性の直進往復運動を与えることができ、高精度の安定した金属間接合部１ａを生成させることができる。
【００３６】
また、これは、直進往復運動体６ａにバネを取り付けて付勢するのではなく、直進往復運動体６ａとそれを把持する枠体６ｂが継目のない金属ブロックで一体に形成されているので、直進往復運動体６ａは枠体６ｂに把持されると同時に、枠体６ｂと直進往復運動体６ａとの間には弾性力を保持しており、枠体６ｂと直進往復運動体６ａを継目のなく一体とすることによって、直進往復運動体６ａがヨーイングやピッチングすることはなく、強い安定性がある。さらにこの直進往復運動体６ａと枠体６ｂとの間に圧電素子６ｃが、直進往復運動体６ａの左右設けられており、弾性力を有する方向に、直進往復伸縮するため、機械的共振点を持たず、出力を上げても共振点を持たないため安定的な直進往復運動ができ、高精度な直進往復高速性応答を可能とし、直進往復運動を高速で応答することができる。これによって、高精度の安定した金属間接合部１ａを生成させることができる。
【００３７】
また、圧電素子６ｃは電圧を印加することで縦横矩形の一方が凹み、他方が膨らむため、一方向へ力が出る構造である。それを複数重ねることで、積層型圧電素子６ｃを用いたピエゾステージ６が振幅５μｍから１０μｍで直進往復運動する。周波数は５Ｈｚから５ＫＨｚで金属間接合は可能で、さらに高い周波数でも接合は可能と思われるため、〜１０ＫＨｚ、〜１９ＫＨｚでもさらに実験を続けている。△波（三角波）やＳｉｎ波が安定しており、矩形波は動きが堅くなり高周波では安定的でない。
【００３８】
また、図４の（ｅ）に示すように、始動時からピーク時に向かって周波数は一定で、振幅が徐々に増加し、ピーク時から停止時に向かって周波数は一定で、振幅が徐々に減衰して行くことによって、同一信号から発生した正波形Ｗ１´´と逆波形Ｗ２´´とを用いて、直進往復運動体６ａの左右に配置した圧電素子６ｃにそれぞれ印加することによって、起動時のドライバ容量を節約できる。
【００３９】
図５は、本発明の実施形態に係るピラー型電極端子の高さのバラツキ、および電極端子を備えるプリント基板など接合相手装置の反りによる接合状態を示し、（ａ）は電極端子の高さにバラツキがある場合、（ｂ）はプリント基板など接合相手が上に反っている場合、（ｃ）はプリント基板など接合相手装置が下に反っている場合を示している。
図５の（ａ）に示すように、電極端子２ａの高さにバラツキがある場合、高さの高い電極端子２ａが電極端子３ａと先に当接するが、降伏点に応じて変形することによって、高さの低い電極端子２ａが電極端子３ａと当接することができ、金属間接合部１ａが生成する。このとき電極端子２ａの先端は１μｍ程度ずれるが問題ない程度である。
次に、図５の（ｂ）に示すように、プリント基板など接合相手装置が上に反っている場合、図のように電極端子２ａは変形する。これでも１μｍ程度のずれで金属間接合部１ａが生成する。
さらに、図５の（ｃ）に示すように、プリント基板など接合相手装置が下に反っている場合、図のように電極端子２ａは変形する。これでも１μｍ程度のずれで金属間接合部１ａが生成する。
【００４０】
つまり、電極端子の高さｈにバラツキが有る場合に、高さの高い電極端子の接合が先に完了して固着してしまい、高さの低い電極端子が接合できないという問題があったが、電極端子の高さに関して、縦横比を２倍以上にすることで１μｍ程度のずれはあるが良好な接合が可能である。
このとき電極端子の直径を２０μｍ、電極端子間のピッチを２００μｍとしている。このとき周波数２１０Ｈｚで５μｍの振幅が得られる。端子数は１０００ピン〜２０００ピンとしたが、さらに多ピンでも構わないし、電極端子間のピッチを４０〜５０μｍとしても構わない。
このように、接合が完了した端子によって全体の直進往復運動が抑えられるため、まだ接合が完了して端子は接合が進まないことがある。これを防止するため、接合が完了した端子は柔軟にピラー型電極端子２ａが変形して、接合が完成していない端子が完了するまで、その直進往復運動を阻害することがない。
ピラー型電極端子２ａの高さＨと直径Ｄ（図２参照）は、縦横のアスペクト比で２：１としている。これは細長い縦方向が押圧された場合に、降伏点０．２５％から決めているが、変形してそのままの形状を維持するのであれば、降伏点を超えて変位しても構わない。この変位量が１μｍ程度である。もう少し大きく設定して、変位量が２〜３μｍでも構わない。プリント基板など接合相手装置３の反りなどで電極端子３ａの位置がばらついても、複数の全ての電極端子２ａと電極端子３ａが接合することができる形状にピラー型の電極端子２ａの縦横比を設定する。
【００４１】
図６は、本発明の実施形態に係る電極端子および接合相手電極端子が共にピラー型の電極端子である場合を説明する概略図であり、（ａ）は接合前、（ｂ）は電極端子の高さにバラツキがある場合の接合後、（ｃ）は電極端子の高さにバラツキがない場合の接合後を示している。
図６の（ａ）に示すように、電極端子の高さにバラツキがある場合がある、（ｂ）に示すように、電極端子の高さにバラツキがある場合、高さの高い方の電極端子が先に金属間接合を完了して、ピラー型の電極端子が変形した状態で接合し、降伏点以下または降伏点をややオーバーしたところで変形を繰り返しながら、高さの低い電極端子が接合完了するまで待っている。また、（ｃ）に示すように、電極端子の高さにバラツキがない場合はピラー型の電極端子の形状が変形することはなく金属間接合部が生成する。
【００４２】
以上、好ましい実施の形態を説明したが、本発明は前記実施の形態に限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱することの無い範囲内において適宜変更が可能なものである。例えば、直進往復高速応答性のピエゾステージが生成する振幅と共にこの電極端子を直進往復運動させるように、直進往復高速応答性のピエゾステージに電極端子を固定して、電極端子と電極端子との接合間に金属間接合部を生成させると説明したが、直進往復運動させるのは、一方の電極端子側でも他方の接合相手電極端子側でも構わない。
【図面の簡単な説明】
【００４３】
【図１】本発明の実施形態に係る直進往復高速応答性のピエゾステージを用いた金属間接合構造の概略図であり、（ａ）は電子部品、とプリント基板など接合相手装置との接合前を示す断面図、（ｂ）（ｃ）（ｄ）は（ａ）に示すＰ部の拡大断面図を基にして金属間接合構造を示す工程断面図であり、（ｂ）は直進往復運動前の様子、（ｃ）は直進往復運動中の様子、（ｄ）は金属間接合が完了した様子、（ｅ）は放熱回路を形成した様子を示している。
【図２】本発明の実施形態に係る直進往復高速応答性のピエゾステージを用いたボンディング装置の基本構造を示す部分詳細図であり、（ａ）は接合前の様子、（ｂ）は直進往復運動中であり、端子は接合中〜金属間接合完了を示している。
【図３】本発明の実施形態に係る直進往復高速応答性のピエゾステージ構造の模式図であり、（ａ）は正面図、（ｂ）（ｃ）（ｄ）（ｅ）（ｆ）（ｇ）（ｈ）は（ａ）に示すＡ―Ａ線の端面図である。
【図４】本発明の実施形態に係る直進往復高速応答性のピエゾステージに備えられる圧電素子に印加する周波数の波形であり、（ａ）は一方の圧電素子に印加するＳｉｎ波の周波数、（ｂ）は他方の圧電素子に印加するＳｉｎ波の周波数を示す波形、（ｃ）は一方の圧電素子に印加する三角波の周波数を示す波形、（ｄ）は他方の圧電素子に印加する三角波の周波数を示す波形、（ｅ）は一方の圧電素子に印加するＳｉｎ波の周波数における振幅の増加域、および振幅減衰域を説明する波形、（ｆ）は他方の圧電素子に印加するＳｉｎ波の周波数における振幅の増加域、および振幅減衰域を説明する波形である。
【図５】本発明の実施形態に係るピラー型電極端子の高さのバラツキ、電極端子を備えるプリント基板など接合相手装置の反りによる接合状態を示し、（ａ）は電極端子の高さにバラツキがある場合、（ｂ）はプリント基板など接合相手装置が上に反っている場合、（ｃ）はプリント基板など接合相手装置が下に反っている場合を示している。
【図６】本発明の実施形態に係る電極端子および接合相手電極端子がピラー型の電極端子である場合を説明する概略図であり、（ａ）は接合前、（ｂ）は電極端子の高さにバラツキがある場合の接合後、（ｃ）は電極端子の高さにバラツキがない場合の接合後を示している。
【図７】従来の実施形態に係る半導体チップにおける外部接続用電極端子の構成を示す断面図である。
【産業上の利用可能性】
【００４４】
本発明は、半導体装置やＬＥＤなどの電子部品、リチュームイオン電池、および、ＰＶ太陽電池の電極端子を接合相手電極端子に常温で接合する金属間接合構造に適用される。
【符号の説明】
【００４５】
１  金属間接合構造
１ａ  金属間接合部
２  フリップチップ、電子部品
２ａ  電極端子、ピラー型の電極端子、ピラー型電極端子
３  接合相手装置、プリント基板
３ａ、３ａ´  電極端子、接合相手装置の電極端子、接合相手電極端子
４  シリコンゴム
５  チャックトップ
６  ピエゾステージ、直進往復高速応答性のピエゾステージ
６ａ  直進往復運動体
６ｂ  枠体
６ｃ  圧電素子、積層型圧電素子
６ｄ  バネ構造
７  Ｎ２パージ枠
７ａ  Ｎ２パージエリア
８  接合部
９  基板
９ａ  上板
９ｂ  下板
１０  ボンディング装置
１１  放熱回路部
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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